载荷槲皮素的糖基化酪蛋白纳米粒子的制备、表征及性能研究

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食用性蛋白质不仅具有很高的安全性和营养价值,还具有包埋疏水性营养物质的功能特性。酪蛋白(Casein,Cas)是牛奶中含量最高的蛋白质,其来源广泛,价格低廉,安全无毒且必需氨基酸合理。但任何单一的蛋白质难以满足食品加工中的全部需求,因此,对蛋白质改性是十分必要的。美拉德反应是一种有效的蛋白质糖基化共价改性技术,其反应的过程中不需要任何有机溶剂的添加。但其反应时间较长、反应条件难控制、产物的安全性难以评估。近年来,一些学者利用转谷氨酰胺酶(Transglutaminase,TGase)的特性,将含有伯氨基团的多糖共价导入蛋白质中,制备糖基化蛋白质,以期改善蛋白质的性质,拓宽其应用范围。槲皮素(Quercetin,Que)是一种天然的类黄酮素,其具有抗炎、抗氧化、抗癌、减肥等多种功效。但槲皮素水溶性差、易受环境影响发生降解。因此,如何提高槲皮素的水溶性、稳定性是当前亟待解决的问题。本研究利用酶法糖基化和超声自组装技术制备包埋槲皮素的糖基化酪蛋白纳米粒子,并对其性能进行研究。首先,利用酶法糖基化将壳寡糖(Chito-oligosaccharides,Cos)接入Cas中,并对酪蛋白-壳寡糖(Cas-Cos)共价复合物的制备工艺和结构、性质进行表征;其次,采用超声自组装法制备空载纳米粒子(n-Cas-Cos),并研究空载纳米粒子的制备工艺和稳定性;最后,将其作为载体包埋Que,以期提高Que的水溶性、稳定性和生物活性。主要研究内容和结果如下:(1)首先,以蛋白质的接糖量为评价指标,考察Cas浓度、Cos与Cas的质量比、反应时间、酶添加量对Cas接糖量的影响,确定糖基化产物的制备工艺;其次,利用十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、圆二色谱(CD)、荧光光谱(FS)等技术对糖基化产物进行结构的表征;最后,对糖基化酪蛋白的表面疏水性、乳化性进行测定。结果得到:当Cas的浓度为30 g/L、Cos与Cas的质量比为3:1、反应时间为4 h、酶添加量为20 U/g时,酪蛋白的接糖量最高,为43.4 g/kg蛋白质;SDS-PAGE表明壳寡糖与蛋白质形成了糖基化共聚物;FTIR表明了Cas经过糖基化后,其侧链结构发生改变,O-H基团的吸收峰加强,表明其接入一定的壳寡糖基团;CD光谱分析显示糖基化产物的α-螺旋和β-折叠含量增加、无规卷曲含量下降;荧光光谱结果表明壳寡糖的接入会对其内源荧光基团产生一定的屏蔽作用,最大荧光强度降低;表面疏水性指数为879,增加了320;乳化活性为53.29 m2/g,下降了11.88m2/g;乳化稳定性为46.95%,上升了5.68%。(2)采用超声自组装法,制备Cas、Cas-Cos空载纳米粒子(分别为n-Cas、n-Cas-Cos)。首先,以平均粒径(DZ)和分散系数(PDI)为指标,考察蛋白质浓度、超声功率、p H对DZ和PDI的影响,从而确定空载纳米粒子的最佳制备工艺;其次,对空载纳米粒子的冻融稳定性、贮藏稳定性进行分析。结果表明:当Cas和Cas-Cos的蛋白浓度分别为4g/L,超声功率为200w、溶液的p H为5.8时,n-Cas和n-Cas-Cos的DZ最小,分别为169.1nm、125.6nm;PDI分别为0.217、0.161;冻融稳定性和贮藏稳定性结果表明n-Cas、n-Cas-Cos均具有良好的稳定性。(3)以Que为研究对象,利用n-Cas和n-Cas-Cos包埋Que,并对其包埋率(EE)、荷载能力(LC)、DZ、PDI和结构特性进行表征。结果表明:当蛋白质与Que的质量比为40:1时,包埋率分别为74.14%、85.21%;荷载能力分别为1.85%、2.13%;DZ分别为183.2nm、137.6nm;PDI分别为0.257、0.177;FTIR表明Que已经成功包埋进纳空载纳米粒子的疏水性内核中,且通过氢键、疏水作用等作用力与蛋白质相结合;X射线衍射(XRD)表明Que以非晶态的形式分散在蛋白质中;差示扫描量热分析(DSC)和热重分析(TG)分析均表明酪蛋白糖基化后,其热稳定性增强,且n-Cas-Cos对Que有着更好的保护效果;透射电镜结果空载纳米粒子呈球形,负载Que前后,粒子的形状无明显变化。(4)以负载Que的酪蛋白纳米粒子(n-Cas-Que)、酪蛋白-壳寡糖纳米粒子(n-Cas-Cos-Que)为研究对象,对两种纳米粒子的贮藏稳定性、热稳定性、体外抗消化性、生物可及度、抗氧化性、对人前列腺癌PC-3细胞的抑制效果进行评估。结果表明:两种纳米粒子能增强Que在贮藏过程(条件分别为4℃避光、25℃避光、25℃自然光)中的稳定性且n-Cas-Cos-Que对Que的保护效果要优于n-Cas-Que;热稳定性结果表明在不同的加热温度(37℃、60℃、99℃)下,n-Cas-Cos-Que对槲皮素的保护效果最好;体外抗消化结果显示,n-Cas-Cos-Que具有更好的抗消化效果,有利于保障目标物在人体消化道中的结构稳定且两种纳米粒子均在一定程度上提高了Que的生物可及度(增加了1.72~3.83倍);抗氧化性结果显示槲皮素乙醇溶液(Que-乙醇)对DPPH和ABTS的清除能力最强,在水系条件下,n-Cas-Que和n-Cas-Cos-Que对DPPH和ABTS的清除效果要远好于槲皮素水溶液(Que-水);人前列腺癌PC-3细胞的抑制试验表明:当Que的浓度达到80μg/m L,Que、n-Cas-Que和n-Cas-Cos-Que处理人前列腺癌PC-3细胞后的存活率分别为73.25%、56.84%、49.88%(p<0.05),这表明槲皮素纳米粒子溶液比槲皮素溶液具有更好的抗癌活性。综上所述,有理由认为Cos经过酶法糖基化接入Cas后,能够成功的制备Cas-Cos二元复合物;利用超声自组装法能够快速、高效的制备n-Cas-Cos且其能够对Que实现有效的包埋,提高了Que的水溶性、稳定性、生物可及度和生物活性。此外,本研究的所使用的的原料均为食品中的组分。天然、绿色的食品原料来源保障了复合纳米材料的食用安全性。在食品功能因子的研发领域,尤其是针对以黄酮类化合物为代表的小分子化合物,纳米技术显示了十分广阔的应用价值和产业前景。
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